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電-磁振子組合型UWB天線

作者: 時間:2010-10-21 來源:網(wǎng)絡 收藏

由于工程實際的需要,高效率的超寬帶高功率微波成為研究的熱點。對于高功率的而言,其技術難點主要體現(xiàn)在兩個方面:一是輻射效率低。二是天線饋電反射大、絕緣難。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/260714.htm

有關超寬帶輻射天線研究的文獻報道不多見。俄羅斯在小型化多通道天線[1]方面有 一些實驗研究結果。但這種天線及其陣列[2]的理論研究有一定難度,目前主要以實驗研究為主,應用也十分有限。由于瞬態(tài)激勵脈沖具有寬頻帶特征,鑒于此, 本文從電-磁組合型天線的物理結構分析入手,結合實驗和數(shù)值模擬,采用頻域和時域測量相結合的方法,對電-磁組合型天線的特性進行了研究。

1 理論分析

1.1 天線結構

圖1為組合型超寬帶天線結構示意圖[2]。圖中所示:①為天線同軸饋電區(qū);②為外導體板;③為電流環(huán)調(diào)節(jié)器;④為TEM喇叭上極板;⑤為TEM喇叭下極板。

圖1 組合型UWB天線結構示意圖

1.2 天線物理結構及其特性分析

天線的物理結構與天線性能有比較密切的關系。輻射天線的輸入阻抗與超寬譜脈沖源的特性阻抗的 失配,造成天線饋源處不同程度地反射。從圖1所示的天線結構形式來看,激勵脈沖(如圖2)進入同軸饋電區(qū)后,具有寬頻帶特征(如圖3)的脈沖電流饋入天 線。一部分電流通過①、③、②構成的電流環(huán)(或磁振子)向自由空間輻射,同時產(chǎn)生反射波和熱耗(由于激勵脈沖的上限頻率較低,天線的熱損耗一般可不予考 慮);另一部分電流通過①、④、⑤構成的阻抗?jié)u變型TEM喇叭(主要表現(xiàn)為電振子輻射器)向自由空間輻射,同時也產(chǎn)生反射波。

圖2 激勵脈沖波形 圖3 激勵脈沖頻譜

根據(jù)以上分析,可以得到該天線等效電路,如圖4所示。其中Rring、Rtrumpet分別為天線的磁振子(電流環(huán))與電振子(TEM喇叭)的輻射電阻,二者與激勵信號的頻率f成非線性關系。

圖4 天線等效電路圖

天線中的電流環(huán)為并聯(lián)諧振回路,隨著頻率的提高,電流環(huán)由低頻短路負載逐漸轉變成為以磁振子 為主的輻射器,磁振子的輻射電阻Rring也相應增加。對低頻而言,電流環(huán)為小環(huán)輻射器,相當于磁基本振子,其輻射特性等同于磁基本振子;而對高頻而言, 它又相當于大電流環(huán)輻射器,可以應用大電流環(huán)輻射理論來分析其輸入特性和輻射特性。

在電-磁振子組合型超寬帶天線中,TEM喇叭相當于串聯(lián)諧振回路。隨著頻率的提高,TEM喇 叭由低頻開路負載逐漸轉變成以電振子為主的輻射器,電振子的輻射電阻Rtrumpet也隨之變化。對低頻而言,TEM喇叭最基本的物理模型為偶極子天線, 它的輻射場是若干偶極子場的矢量疊加。其時域輻射場表達式[4]為:

其中:f(g)為TEM喇叭特性阻抗與自由空間阻抗的比值,δ(a)(t)為沖擊函數(shù),h為喇叭口面高度,l為喇叭長度,V0 為饋入天線的階躍電壓的幅值。

隨著頻率的進一步提高,TEM喇叭再轉變成為高頻短路負載。當頻率f很高時,TEM喇叭電振子和電流環(huán)磁振子均嚴重失諧,分別處于短路和開路狀態(tài)。造成饋源處較大反射。

電-磁振子組合型超寬帶天線中電振子與磁振子的遠區(qū)輻射場同為垂直極化波。通過調(diào)整磁振子與 電振子的參數(shù)Lring、Ctrumpet以及相位中心距,使兩個天線振子形成電-磁振子互補輻射[3],從而降低天線的輻射電阻對信號頻率的依賴,擴展 了天線的工作頻帶,降低了天線負載的不匹配所造成的反射,而且還能使兩個輻射器的空間瞬態(tài)輻射場相互疊加,最大限度地提高天線的輻射效率。

2 模擬計算

在以上分析的基礎上,利用數(shù)值模擬軟件對50x50x50cm3的電-磁振子組合型超寬帶天線進行了模擬,圖5、圖6為數(shù)值模擬結果。

(a) 天線駐波曲線 (b) 天線輸入阻抗圓圖

圖5 50cm電-磁振子組合型天線模擬結果

圖 6 不同頻率下50cm電-磁振子組合型UWB天線在θ=900和φ=900平面的方向圖

3 實驗結果

通過模擬與分析,優(yōu)化設計了一付長、寬、高尺寸均為50cm的電-磁振子組合型UWB天線(如圖7所示),并用頻域和時域測量方法對天線進行了測試。

圖8為采用安立的 失量網(wǎng)絡分析儀MS4623B所測得的天線駐波曲線、阻抗圓圖和時域反射測量曲線。 頻域測量的結果表明,該天線在100MHz~1GHz的10倍頻程內(nèi),天線的駐波系數(shù)小于3,與數(shù)值模擬的結果基本吻合。從時域測量曲線圖8(c)看出: 天線最 圖7 電-磁振子組合型UWB天線

大反射點在饋源輸出端。

圖8 MS4623B失網(wǎng)測量結果

圖9為天線饋入超寬帶脈沖信號時,用Tek TDS684測量到的入射脈沖、反射脈沖和輻射場脈沖波形。其中,激勵脈沖信號底寬約為2ns,前沿為350ps,峰值電壓為150V。入射信號與反射信 號采用無感電容分壓器(分壓比為100:1),輻射場測量采用帶寬為80MHz~2GHz、有效高度為6.1cm的TEM喇叭測量天線,測量點位于天線最 大輻射方向距離口面10m處。測得反射波最大正峰29.8V、最大負峰為-35.6V,測點的電場強度為24.6V/m。求得該天線輻射效率Kw=Wr /Wg=60%(Wr=Wg-Wref為天線的輻射能,Wg為激勵脈沖能量,Wref為天線反射脈沖的能量)。

圖9 時域測量波形

4 結論及存在的問題

通過以上分析和研究得出:電-磁振子組合型天線利用電流環(huán)與TEM喇叭的互補狀態(tài)來實現(xiàn)帶寬 擴展,天線結構參數(shù)調(diào)整合適,小型化UWB天線能夠做到帶寬寬、輻射效率高;盡管天線尺寸小,由于采用同軸過渡饋電結構,可以解決高功率UWB脈沖饋電難 的問題;天線結構和瞬態(tài)脈沖輻射問題比較復雜,不宜直接和完全采用時域方法,而用頻域方法研究天線的結構和特性相對容易,它為天線的時域特性研究創(chuàng)造了條 件。

存在的問題是:由于天線結構的復雜性,天線各部分電流分布的求解相當困難,另外,在進行電-磁振子組合型天線模擬計算時,由于計算資源的限制以及建立的模型與實際天線間有較大的差異,從而造成了計算與測量結果之間的誤差。



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